Biosintesi degli acidi grassi e dei lipidi
Tutte le cellule contengono lipidi che sono prevalentemente
composti da acidi grassi
I grassi che si accumulano nei semi e nei frutti non vi sono
trasportati ma sono sintetizzati in situ dal saccarosio o da altri
zuccheri traslocati
La conversione dei carboidrati in grassi presuppone la
produzione sia di acidi grassi che del glicerolo con il quale
essi sono esterificati
La maggior parte delle reazioni di sintesi degli acidi grassi
avviene solo nei cloroplasti delle foglie o nei proplastidi dei
semi oleosi
PRIMO
PUNTO:
LA
FONTE
DEL
SUBSTRATO PRIMARIO È L’ACETATO
L’ACETIL-CoA rappresenta il principale precursore
del metabolismo degli acidi grassi
Nei tessuti non fotosintetici delle piante, l’acetilCoA è prodotto dal glucosio attraverso il percorso
glicolitico
Nei tessuti fotosintetici il piruvato può essere
prodotto
anche
dalla
gliceraldeide-3-fosfato
sintetizzata dal ciclo di Calvin
Inoltre c’è un’acetil-CoA sintasi attiva nei
cloroplasti che è capace di attivare anche ogni
acetato generato fuori dal cloroplasto
SECONDO PUNTO: FONDAMENTALE
PRODUZIONE DEL MALONIL-CoA
È
LA
La formazione del legame C-C tra unità successive di
acetato è un processo che consuma energia
Per favorire un gruppo uscente energeticamente favorevole
per la reazione di condensazione la cellula prima carbossila
l’acetil-CoA in una reazione che si verifica in due passaggi
Viene quindi prodotto
malonil-CoA è un substrato
essenziale per la sintesi degli acidi grassi
La reazione ha come reagenti l’acetil-CoA che viene
carbossilato tramite lo ione bicarbonato in una reazione
catalizzata dalla ACETIL-CoA CARBOSSILASI
La reazione prevede un intermedio N-carbossibiotinico legato
covalentemente:
E-biotina + ATP + HCO3- E-N-carbossibiotina + ADP + Pi
E-N-carbossibiotina + acetil-CoA malonil-CoA + E-biotina
Nelle cellule procariotiche questo enzima consiste di tre
proteine separate:
a) una piccola proteina trasportatrice che contiene la
biotina legata covalentemente
b) una biotina carbossilasi che catalizza la prima delle
reazioni prima descritte
c) una trans-carbossilasi che trasferisce il gruppo
carbossilico attivato dell’N-carbossibiotina all’acetilCoA.
La catena idrocarburica della biotina e quella del
residuo di lisina ad essa associata fungono da braccio
oscillante, che permette alla biotina di interagire con i
siti catalitici di entrambe le subunità
Sebbene il malonil-CoA venga utilizzato in
parecchie vie biosintetiche della cellula, la biosintei
dei grassi è l’unico destino conosciuto del malonilCoA nei plastidi
L’attività dell’acil-CoA carbossilasi è quindi regolata
ed è questa reazione che determina la velocità
globale della sintesi dei grassi
LA PROTEINA TRASPORTATRICE
ACILI E LE SUE FUNZIONI
DI
Una caratteristica saliente della sintesi degli acidi grassi è che i
gruppi acilici sono attaccati ad una proteina a basso peso
molecolare: la proteina trasportatrice di acili (ACP=Acyl Carrier
Protein)
Questa proteina, che è parte integrante di tutte le sintasi degli
acidi grassi, ha 77 amminoacidi
La parte funzionale della proteina è una molecola di “4
fosfopantoteina” che è attaccata da un residuo di serina alla
posizione 36
La 4’ fosfopantoteina ha un gruppo SH terminale al quale i gruppi
acilici sono attaccati tramite un legame tioestere uguale a quello
trovato nel CoA
L’ACP funziona come un braccio flessibile che trasferisce gli acidi
grassi intermedi da un sito dell’enzima all’altro
TERZO PUNTO: LA SINTESI DI ACIDI GRASSI
PRENDE
AVVIO
DALLA
CONDENSAZIONE
DELL’ACETIL-COA E MALONIL-CoA.
L’ACP entra nella sintesi degli acidi grassi grazie all’azione
della malonil-CoA ACP transacilasi e della acetil-CoA
transacilasi
Il gruppo acilico viene trasferito dall’acil-CoA all’ACP
LE REAZIONI DELLA SINTESI
DEGLI ACIDI GRASSI
La catena degli acidi grassi viene costruita per addizioni
successive di unità a due atomi di carbonio. Ogni ciclo è
rappresentato da diverse reazioni che iniziano con quella
catalizzata dall’acil-CoA carbossilasi
L’ ACIDO GRASSO SINTETASI (FAS) fa riferimento a tutte
le attività enzimatiche della biosintesi esclusa quella
dell’Acil-CoA carbossilasi
Sono stati trovati diversi tipi di ACIDO GRASSO
SINTASI (FAS) in natura:
-FAS tipo I in animali e lieviti che è un singolo
complesso enzimatico le cui subunità sono capaci di
catalizzare parecchie reazioni diverse (tipo piruvato
deidrogenasi)
-FAS tipo II nelle piante e in batteri, nella quale ogni
attività enzimatica appartiene ad una specifica
proteina
LE REAZIONI DELLA SINTESI
DEGLI ACIDI GRASSI
A partire da una mole di acetil-ACP ed una di malonilACP in quattro reazioni si produce una mole di
BUTIRRIL-ACP con reazioni sostanzialmente molto
simili (in senso opposto) alle reazioni coinvolte
nell’ossidazione dei grassi
In sintesi si hanno:
-Condensazione
-Riduzione
-Disidratazione
-Riduzione
L’ACP è il trasportatore di acili, mentre il potere
riducente è fornito dal NADPH
Perché si utilizza il malonil-ACP come donatore di unità
acetiliche?
L’eventuale condensazione di due unità acetiliche attivate è
una reazione piuttosto endoergonica. Il gruppo carbossilico
del malonil-ACP è un buon gruppo uscente
Una volta che il residuo acetile è stato trasferito alla –
CHETOACIL-ACP-SINTASI, la molecola dell’ACP è libera di
legarsi al residuo malonilico
Questa reazione
TRANSFERASI
è
catalizzata
dall’enzima
MALONIL-
Con tutti e due i substrati posizionati sull’enzima si ha una
condensazione tra il malonil-ACP e l’Acetil-Sintasi. Questa
condensazione, catalizzata dall’enzima –CHETOACIL-ACPSINTASI, produce un intermedio chetonico, l’acetoacetil-ACP
Durante la reazione di condensazione il malonil-ACP è
decarbossilato rilasciando CO2
Studi sugli isotopi hanno dimostrato che questa CO2 è la
stessa che si aggiunge durante la reazione della acetil-CoA
carbossilasi; infatti non c’è incorporazione di radioattività
negli acidi grassi, quando i tessuti vengono incubati con
bicarbonato marcato con 14C
L’intermedio acetil-ACP è poi ridotto in una reazione
catalizzata dall’enzima –CHETOACIL-RIDUTTASI. Il donatore
di elettroni in questa reazione è il NADPH e il prodotto è il D3-idrossiacilbutirrato
L’intermedio insaturo è quindi ridotto dall’aggiunta
di un idrogeno al doppio legame in modo da
formare l’intermedio saturo butirril-ACP
Questa reazione è catalizzata dall’enzima ENOILACP RIDUTTASI
In questo modo si completa la prima parte del
processo attraverso il quale l’unità bicarboniosa,
acetil-ACP, è allungata a formare una unità di
quattro carboni (butirril-ACP)
Il Butirril-ACP diviene il substrato starter del
successivo ciclo di reazioni
Il residuo butirrile è trasferito ad un gruppo SH
libero della -chetoacil ACP sintasi e un altro
residuo malonilico viene trasferito dal CoA all’ACP
La sequenza di reazioni si ripete producendo un
intermedio a sei atomi di carbonio
Il processo continua fin quando l’acido grasso
raggiunge una lunghezza di 16 carboni (palmitoilACP)
Acidi grassi a numeri dispari sono prodotti in bassissime
quantità (0,5-1% della quantità totale) nelle piante e nei
tessuti animali
I grassi dei ruminanti contengono piccole ma significative
quantità di acido pentadecanoico (C15:0) e eptadecanoico
(C17:0).
Questi
acidi
grassi
sono
ottenuti
dall’incorporazione della molecola a tre atomi di C,
propionil-CoA come primer al posto dell’acetil-CoA
E’ stato notato che diete ricche di cereali aumentano il
contenuto di questo tipo di acidi grassi dispari perché fanno
aumentare la concentrazione di propionato nel liquido del
rumine
In casi estremi il livello di questi acidi grassi può
raggiungere il 10-15 % nei tessuti adiposi delle pecore
SPECIFICITÀ DELLE SINTASI DEGLI
ACIDI GRASSI
Piante e animali
Nella maggior parte delle specie animali e vegetali circa il 90%
degli acidi grassi prodotti possiedono 16 atomi di carbonio (es.
palmitoil-ACP)
L’enzima responsabile di questa specificità di catena è la CHETOACIL ACP SINTASI
Alla fine di ogni sequenza di quattro reazioni, l’acido grasso
formatosi viene trasferito dall’ACP al gruppo SH della CHETOACIL ACP SINTASI
Questo enzima accetta facilmente acidi grassi a 14 atomi di
carbonio mentre accetta con difficoltà quelli a 16. Quindi il
processo di elongazione si ferma una volta raggiunti nell’acido
grasso i 16 atomi di carbonio
L’acido grasso appena formato viene rilasciato
dalla sintasi grazie all’ACIL-ACP-TIOESTERASI
Negli animali la tioesterasi è parte integrale del
complesso della sintasi, mentre nelle piante
sembra essere un enzima solubile distinto
L’esatto meccanismo che porta alla terminazione
dell’elongazione degli acidi grassi non è ben
conosciuto per tutte le specie animali
RILASCIO DEGLI ACIDI GRASSI DALLA
SINTASI DEGLI ACIDI GRASSI
Gli acidi grassi possono essere rilasciati dalla sintasi in un
numero variabile di forme
Nella maggior parte degli animali gli acidi grassi sono rilasciati
come acidi grassi liberi che possono poi essere modificati per
varie vie
Nelle piante e nei microrganismi gli acidi grassi possono essere
rilasciati come acidi grassi liberi o possono essere legati al CoA
dopo il rilascio
In certi microrganismi come E. coli ed Euglena gracilis l’acido
grasso è trasferito direttamente dall’ACP all’acido fosfatidico e
dopo nei trigliceridi e fosfolipidi
ALLUNGAMENTO DEGLI ACIDI
GRASSI
La sintesi de novo degli acidi grassi produce principalmente
acido palmitico (C16:0)
Tuttavia, l’analisi del contenuto in acidi grassi nei tessuti
vegetali ed animali rivela la presenza di un gran numero di
acidi grassi con più di 16 atomi di carbonio
Alcuni di essi possono derivare dalla dieta, nel caso degli
animali, ma sia gli animali che le piante possono allungare gli
acidi grassi
NELLE CELLULE EUCARIOTICHE
LUOGO SIA NEI MITOCONDRI
ENDOPLASMATICO
L’ALLUNGAMENTO HA
CHE NEL RETICOLO
DESATURAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI
L’insaturazione degli acidi grassi prende avvio dallo
stearato o dal palmitato ad opera di un complesso
enzimatico definito ACIL-CoA DESATURASI
Stearoil-CoA + NADH + H++ O2 OLEIL-CoA + NAD+ +
2H2O
Nella reazione entrambi i substrati vanno incontro ad una
ossidazione a due elettroni e nel trasferimento
complessivo di elettroni è coinvolto un altro enzima,
CITOCROMO b1 RIDUTTASI
BIOSINTESI DEI TRIACILGLICEROLI
Il glicerolo-3-fosfato e gli acil-CoA rappresentano i mattoni
per la costruzione di queste molecole
Il
glicerolo-3-fosfato
deriva
dalla
riduzione
dell’idrossiacetonfosfato
ad opera della GLICEROLO
FOSFATO DEIDROGENASI o dalla fosforilazione ATPdipendente del glicerolo catalizzata dalla GLICEROLO
CHINASI
Diidrossiacetonfosfato + NADH + H+ Glicerolo-3-P +
NAD+
Glicerolo + ATP Glicerolo-3-P + ADP
Il glicerolo-3-P così formato va incontro a due esterificazioni
successive con gli acil-CoA con formazione di DIACILGLICEROLO3-FOSFATO
Acil-S-CoA + Glicerolo-3-P Monoacilglicerolo-3-P + CoA-SH
Monoacilglicerolo-3-P + acil-S-CoA Diacilglicerolo-3-P + CoA-SH
Il diacilglicerolo-3-P è detto anche ACIDO FOSFATIDICO,
precursore sia dei fosfolipidi che dei triacilgliceroli
Acido Fosfatidico + H2O 1,2-diacilglicerolo + Pi
1,2-diacilglicerolo + acil-CoA triacilglicerolo + CoA-SH
